一种轴承滚道面的激光冲击组合表面改性方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特别是涉及一种轴承滚道面的激光冲击组合表面改性方法。

背景技术

高端轴承性能要求正在向高DN值、高温环境、重载、长寿命、高可靠性等发展。服役过程中，轴承容易发生磨损擦伤、接触疲劳断裂、卡轴、抱轴等故障，严重影响转动系统装备的运行安全。轴承工作过程中，滚子在滚道上高速、重载地滚动运行，滚道表面材料的接触疲劳失效无法避免，尤其当滚道表面存在磨损、擦伤等损伤时，会进一步加速接触疲劳的裂纹萌生和断裂过程。因此，高端轴承滚道长时间处在高速、重载条件下工作，对滚道表面要求极高，优异的磨损性能以及良好的润滑是保证轴承正常运转的必要条件。

因此，亟需创新发展一种工艺方法，一方面提升轴承滚道的接触疲劳与磨损性能，同时提升轴承滚道的摩擦与润滑性能，从而显著提高轴承的服役寿命。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于：

第一方面，提供一种轴承滚道面的激光冲击组合表面改性方法，其关键在于按以下步骤制备：

S1、预加工：在轴承滚道面加工形成中部的一圈滚道区域和对称分布于所述滚道区域两侧的挡圈配合面，所述滚道区域预留加工余量层，滚道区域的厚度为d，加工余量层厚度为d

S2、施加约束：在轴承的滚道区域不贴覆吸收保护层，仅在所述滚道区域表面施加约束层；

S3、激光冲击强化：在无吸收保护层条件下，采用微尺度低能量激光对所述滚道区域进行连续扫描式冲击强化，在所述滚道区域形成深度为d

S4、去除预留的所述加工余量层；

S5、贴覆保护：在所述挡圈配合面贴覆吸收保护层，在该吸收保护层表面施加约束层；

S6、激光冲击成形：采用大光斑高能量激光对所述挡圈配合面进行阵列分布式冲击成形，在所述挡圈配合面形成阵列排布的储油凹坑。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述激光冲击强化的功率密度为15～30GW/cm

结合第一方面，在一种实现方式中，所述激光冲击成形的功率密度为9～15GW/cm

结合第一方面，在一种实现方式中，每道所述挡圈配合面的周向分布有至少两圈储油凹坑，相邻两圈的所述储油凹坑在轴承的轴向方向错位设置。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述储油凹坑的直径为D

结合第一方面，在一种实现方式中，相邻两圈的所述储油凹坑轴向间距为至少2D

结合第一方面，在一种实现方式中，所述吸收保护层采用黑色胶带；所述约束层为施加去离子水形成的水幕。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤S4中去除预留的加工余量层采用精磨加抛光工艺对滚道区域的加工余量层进行加工去除。

第二方面，还提供一种轴承圈，其关键在于：包括轴承内圈和/或轴承外圈，采用第一方面任一实现方式中所述的组合表面改性方法进行处理，在所述轴承内圈和/或轴承外圈的滚道槽表面形成塑性强化层，并在滚道槽两侧的挡圈配合面上形成阵列排布的储油凹坑。

第三方面，还提供一种轴承，其关键在于：具有第二方面实现方式中所述的轴承圈。

如上所述，本发明的一种轴承滚道面的激光冲击组合表面改性方法至少包括以下有益效果：通过激光冲击强化，在所述滚道区域形成深度大、均匀性好的塑性强化层，可显著提升轴承的滚动接触疲劳性能与磨损性能，同时在挡圈配合面，通过激光冲击成形，形成阵列分布的储油凹坑，储油凹坑能够通过油的表面张力将润滑油锁住，解决轴承滚道表面润滑不足的问题。

附图说明：

图1为本发明工艺对轴承加工的截面示意图；

图2为本发明工艺流程图；

图3为挡圈配合面储油凹坑的排布示意图；

图4为本发明组合表面改性方法处理下轴承的接触疲劳性能对比试验结果；

图5为本发明组合表面改性方法处理下轴承的摩擦系数的对比测试结果；

图6为本发明组合表面改性方法处理下轴承的体积磨损的对比测试结果；

图7为本发明组合表面改性方法处理下轴承钢表面磨损失效特征的对比照片(其中a为空白组轴承的滚道表面照片，b为实施例1轴承的滚道表面照片)；

附图标记说明：1为轴承圈，2为滚道区域，3为挡圈配合面，4为吸收保护层，5为约束层，6为激光冲击强化波，7为激光冲击成形波，8为储油凹坑。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是：本申请方案中微尺度激光是光斑小于1mm的激光，低能量激光是指能量小于1J的激光。

首先，请参阅附图1和2所示，本发明技术方案提供一种轴承滚道面的激光冲击组合表面改性方法，按以下步骤制备：

S1、预加工：在轴承滚道面加工形成中部的一圈滚道区域和对称分布于所述滚道区域两侧的挡圈配合面，所述滚道区域预留加工余量层，滚道区域的厚度为d，加工余量层厚度为d

S2、施加约束：无需在轴承的滚道区域贴覆吸收保护层，仅在所述滚道区域表面施加约束层即可；

S3、激光冲击强化：采用微尺度低能量激光对所述滚道区域进行连续扫描式冲击强化，在所述滚道区域形成深度为d

S4、去除预留的所述加工余量层；

S5、贴覆保护：在所述挡圈配合面贴覆吸收保护层，在该吸收保护层表面施加约束层；

S6、激光冲击成形：采用大光斑高能量激光对所述挡圈配合面进行阵列分布式冲击成形，在所述挡圈配合面形成阵列排布的储油凹坑，如图3所示。

采用微尺度、低能量的激光冲击强化，对轴承滚道进行激光冲击强化处理，形成表面高幅值、大深度、且分布均匀性好的残余压应力层和冷作硬化层，可提升滚动接触疲劳性能和磨损性能；通过大光斑、高能量激光冲击成形，对轴承滚道两侧进行激光冲击成形处理，形成阵列排布的储油凹坑、储存润滑油，可提升摩擦性能；综合利用激光冲击强化和激光冲击成形的功能作用，显著提升高端轴承滚道的滚动接触疲劳、摩擦磨损等服役性能。本方法还具有技术原理简单、工艺操作性强、功能复合性好、工程适用性强等特点，可适用于航空发动机、燃气轮机、汽轮机、高铁等高端轴承，也可推广应用于其他装备的轴承。

在一些实施例中，所述激光冲击强化的功率密度为15～30GW/cm

在一些实施例中，所述激光冲击成形的功率密度为9～15GW/cm

在一些实施例中，每道所述挡圈配合面的周向分布有至少两圈储油凹坑，相邻两圈的所述储油凹坑在轴承的轴向方向错位设置。提升对润滑油的储油效果，且覆盖范围更加全面。

在一些实施例中，如图3所示所述储油凹坑的直径为D

在一些实施例中，如图3所示相邻两圈的所述储油凹坑轴向间距为至少2D

在一些实施例中，所述吸收保护层采用黑色胶带；所述约束层为施加去离子水形成的水幕。

在一些实施例中，所述步骤S4中去除预留的加工余量层采用精磨加抛光工艺对滚道区域的加工余量层进行加工去除。对强化区域进行一定厚度的去除和光整，去除了材料表面损伤层，保证滚道区域光洁度满足相关技术要求。

还有，在一些实施例中，提供一种轴承圈，包括轴承内圈和/或轴承外圈，采用上述任一实施例中所述的组合表面改性方法进行处理，在所述轴承内圈和/或轴承外圈的滚道槽表面形成塑性强化层，并在滚道槽两侧的挡圈配合面上形成阵列排布的储油凹坑。

还有，在一些实施例中，提供一种轴承，具有上述实施例所述的轴承圈。

下面通过具体的例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行具体的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：以某型航空发动机主轴承的轴承内圈和轴承外圈为例进行组合强化工艺，其材料为M50钢、滚道宽度为50mm、滚道厚度为10mm。结合附图1和2所示，具体实施过程如下：

(1)对轴承胚料进行切割、车削等机械加工，上磨床进行粗磨工艺处理，处理到滚道厚度尺寸为10.2mm时停止，并在轴承滚道面加工形成中部的一圈滚道区域和对称分布于所述滚道区域两侧的挡圈配合面，在所述滚道区域预留厚度d

(2)将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证滚道区域形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(3)在微尺度激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击强化的参数：激光能量为300mJ、光斑直径为0.5mm、脉宽为10ns、冲击遍数为5遍，此时激光功率密度为30.57GW/cm

(4)将强化后的轴承安装之磨床上，通过精磨、抛光等工艺对滚道进行精加工，去加工余量d

(5)再次采用黑色胶带作为吸收保护层，贴覆在所述挡圈配合面表面，再将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证挡圈配合面表面形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(6)在激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击成形的参数：激光能量为8J、光斑直径为2mm、脉宽为20ns、冲击遍数为1遍，此时激光功率密度为15.92GW/cm

(7)轴承内圈和轴承外圈完成后续加工后，进行组装得到轴承。

实施例2：以某型航空发动机主轴承的轴承内圈和轴承外圈为例进行组合强化工艺，其材料为M50钢、滚道宽度为50mm、滚道厚度为10mm。结合附图1和2所示，具体实施过程如下：

(1)对轴承胚料进行切割、车削等机械加工，上磨床进行粗磨工艺处理，处理到滚道厚度尺寸为10.2mm时停止，并在轴承滚道面加工形成中部的一圈滚道区域和对称分布于所述滚道区域两侧的挡圈配合面，在所述滚道区域预留厚度d

(2)再将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证滚道区域形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(3)在微尺度激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击强化的参数：激光能量为800mJ、光斑直径为0.8mm、脉宽为10ns、冲击遍数为5遍，此时激光功率密度为15.92GW/cm

(4)将强化后的轴承安装之磨床上，通过精磨、抛光等工艺对滚道进行精加工，去加工余量d

(5)再次采用黑色胶带作为吸收保护层，贴覆在所述挡圈配合面表面，再将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证挡圈配合面表面形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(6)在激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击成形的参数：激光能量为6J、光斑直径为2mm、脉宽为20ns、冲击遍数为1遍，此时激光功率密度为9.55GW/cm

(7)轴承内圈和轴承外圈完成后续加工后，进行组装得到轴承。

实施例3：以某型航空发动机主轴承的轴承内圈和轴承外圈为例进行组合强化工艺，其材料为M50钢、滚道宽度为50mm、滚道厚度为10mm。结合附图1和2所示，具体实施过程如下：

(1)对轴承胚料进行切割、车削等机械加工，上磨床进行粗磨工艺处理，处理到滚道厚度尺寸为10.2mm时停止，并在轴承滚道面加工形成中部的一圈滚道区域和对称分布于所述滚道区域两侧的挡圈配合面，在所述滚道区域预留厚度d

(2)将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证滚道区域形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(3)在微尺度激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击强化的参数：激光能量为200mJ、光斑直径为0.3mm、脉宽为10ns、冲击遍数为5遍，此时激光功率密度为28.31GW/cm

(4)将强化后的轴承安装之磨床上，通过精磨、抛光等工艺对滚道进行精加工，去加工余量d

(5)再次采用黑色胶带作为吸收保护层，贴覆在所述挡圈配合面表面，再将轴承固定在5轴机器人手臂上，随后通过万向节水管对滚道区域施加去离子水流，保证挡圈配合面表面形成1～2mm的水幕，作为约束层。

(6)在激光冲击强化综合控制系统中，设定激光冲击成形的参数：激光能量为20J、光斑直径为3mm、脉宽为20ns、冲击遍数为1遍，此时激光功率密度为14.15GW/cm

(7)轴承内圈和轴承外圈完成后续加工后，进行组装得到轴承。

试验对比及结果：

实施例1同批次的、未经组合表面改性的轴承作为空白组，经精磨、抛光等工艺对滚道进行精加工处理后与实施例1经组合表面改性强化的轴承进行对比分析

1、上述两种轴承的接触疲劳寿命进行试验检测，结果如图4所示。根据图4可以看出，未经强化的轴承，平均接触疲劳寿命远远低于实施例1经强化后的轴承，说明本申请方法显著提升了轴承的接触疲劳性能。

2、上述两种轴承的摩擦系数和体积磨损进行试验检测，结果如图5和6所示。根据图5和6可以看出，经过强化处理后的轴承，其摩擦系数和体积磨损率都低于未经强化处理的轴承，说明本申请方法显著提升了轴承的摩擦磨损性能。

3、轴承滚道面磨损及氧化情况检测，结果如图7所示。根据图7可以看出，空白组轴承发生更加明显磨损，且表面存在明显氧化痕迹，而强化处理后的轴承，其表面磨痕均匀光滑、几乎未见氧化痕迹，说明本申请方法显著提升了滚道面残余应力和硬度的分布均匀性。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。